Институт гидротехнического и энергетического строительства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НИУ МГСУ

Институт гидротехнического и энергетического строительства

Кафедра «Гидравлики и гидротехнического строительства»

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Эксплуатация и безопасность гидротехнических сооружений»

На тему: «Обеспечение эксплуатационной безопасности бетонной гравитационной и грунтовой плотин.»

 

Выполнил студент: ИГЭСм II-16 Куприн А.В.

Руководитель проекта: доцент Малаханов Вячеслав Васильевич.

К защите: _____________________________________________________________________

(дата, подпись руководителя)

Проект защищен с оценкой: _____________________________________________________

(оценка, дата)

 

Подписи членов комиссии                                                       ___________________

___________________

___________________

 

                                                               МОСКВА 2019г.                                                             

Оглавление

Введение 3

Глава 1 Гидросооружение и условия его эксплуатации 4

1.1 Эксплуатационные характеристики гидроузла 4

1.2 Климатические условия 6

1.3 Топография и геология створа 7

1.4 Гидрология 8

1.5 Техносферное окружение 9

Глава 2 Обоснование качеств надежности гидросооружений и состава расчетов по их обоснованию 10

2.1 Качества функциональной надежности 10

2.2 Обоснование качеств конструктивной надежности 14

Глава 3 Сценарии возможных аварий 20

3.1 Описание возможных аварий гидросооружений 20

3.2 Сценарий аварий в виде дерева отказов 20

3.3 Сценарий аварии в виде дерева событий 22

Глава 4 Обоснование системы контроля состояния гидросооружения 23

4.1 Уязвимые зоны гидросооружения 23

4.2 Состав инструментальных наблюдений, их приборное оснащение и схема размещения средств контроля 24

4.3 Визуальный контроль состояния 26

Глава 5 Критерии безопасности 27

5.1 Эксплуатационной состояние гидротехнического сооружения 27

5.2 Критерии безопасности для средств контроля 27

Глава 6 Организационное обеспечение безопасности гидросооружения 27

6.1 Факторы безопасности гидросооружения 27

6.2 Периодичность контроля состояния гидросооружения 28

6.3 Планирование ремонтов и пример ремонта гидросооружения 28

6.4 Реконструкция гидросооружения 32

6.5 Декларация безопасности гидросооружения 32

Заключение 34

Список литературы 35

 

Введение

В данной курсовой работе рассматриваются вопросы обеспечения эксплуатационной безопасности бетонной гравитационной и грунтовой плотин применительно к условиям города Краснодар, Краснодарский край на реке Кубань.

Рассматриваются вопросы обоснования качеств надежности гидросооружений и состава расчетов по их обоснованию.

Сформулированы возможные сценарии аварии к грунтовой плотине методами дерева отказов и дерева событий.

Определены уязвимые зоны гидросооружений и на их основе сформулирован состав необходимых инструментальных наблюдений. Даётся описание приборов и схемы их размещения. Уделено внимание визуальному контролю.

Определены возможные эксплуатационные состояния гидросооружений и сформулированы критерии безопасности для средств контроля.

Проанализированы факторы безопасности гидротехнических сооружений, периодичность контроля состояния гидротехнических сооружений, приведен пример ремонта, рассмотрены вопросы реконструкции гидротехнических сооружений.

В заключении приводится краткое содержание декларации гидросооружений.

 

Глава 1

Гидросооружение и условия его эксплуатации

Климатические условия

Краснодар— город, расположенный на правом берегу реки Кубани, на расстоянии 90—120 километров к востоку от Черного и Азовского морей, и 1450 км к югу от Москвы.

Климат Краснодара переходный, от умеренно континентального (к сухому субтропическому. Температурный режим сходен с такими городами, как Милан и Нью-Йорк, с мягкой зимой без устойчивого снежного покрова и жарким летом.

Лето в Краснодаре - самый длинный сезон и длится 5 месяцев (май-сентябрь). Зима в Краснодаре короткая, средняя продолжительность - 40 дней, примерно с середины января до конца февраля. Самые нестабильные сезоны - это осень и весна.

Климатические параметры района представлены в СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» [3].

Среднегодовая t, oC	13.3
Средняя температура самого холодного месяца, oC	-23.0
Абсолютным минимум, oC	-36.0
Средняя температура самого теплого месяца, oC	29.8
Абсолютным максимум, oC	42.0
Среднегодовая норма осадков, мм	730
Средняя скорость ветра, м/с	2.4
Расчетная скорость ветра 2%, м/с	16
Расчетная скорость ветра 20%, м/с	14
Высота снежного покрова, см	40
Толщина льда, см	4-6
Глубина промерзания, мм	80
Количество дней с отрицательными, сут	40

 

Гидрология

Кубань. Длина — 870 км, площадь водосборного бассейна — 58 тыс. км². Протекает по территории Карачаево-Черкесии, Ставропольского края, Краснодарского края (662 км) и Адыгеи. При впадении в Азовское море река образует крупную заболоченную, но высокопродуктивную кубанскую дельту площадью около 4300 км². Общий сток Кубани в море составляет около 11,0 км³ в год.

Рисунок 7 - Бассейн Кубани

 

Кубань берёт своё начало в районе горы Эльбрус. Высота истока — 1339 м над уровнем моря. Если длину реки Кубань считать вместе с её притоком Уллукамом, то она увеличивается до 906 км, а её падение до 2970 м (от ледникового языка Уллукам).

По данным 100-летнего ряда наблюдений средний годовой сток реки Кубань, формируемый за счёт дождевого и снегового питания (65 %), таяния высокогорных снегов и ледников (20 %) и грунтовых вод (15 %), составляет около 13,5 км³. Сезонные колебания уровня воды в реке различны для разных участков Кубани. Например, у Армавира они достигали 2,8 м, у Краснодара — 5 м, у Переволокского узла — 1,9 м. Ледовый покров Кубани неустойчив. За год Кубань выносит в Азовское море около 4 млн тонн растворённых солей. Средний годовой расход у Краснодара 425 м³⁄с.

Рисунок 8 - Гидрограф реки Кубань

 

Средний расход воды (м³/с) реки Кубань по месяцам с 1911 по 1980 гг.
(замеры производились на гидрологическом посту в районе г. Краснодар)

Техносферное окружение

Город Краснодар [8].

Население.

Численность населения на 1 января 2019 года — 918 145 чел. В границах городского округа (со входящими в его состав сельскими населёнными пунктами) население составляет 1 007 964 человека.

Краснодар — город России, население которого растёт. Определяющим фактором роста населения после перестройки властями и специалистами называется не только приток экономических мигрантов со всего северо-кавказского юга России и стран Закавказья, но и приобретение жилья обеспеченными гражданами из районов Крайнего Севера и других регионов.

Промышленность.

Краснодар — крупный индустриальный центр Юга России. В 2015 году на город приходилось около 30 % от общего производства по Краснодарскому краю. Промышленность Краснодара представлена 127 крупными и средними предприятиями, ещё свыше тысячи относятся к субъектам малого бизнеса. Предприятия предоставляют рабочие места 40 тысячам горожан или 17 % от всего трудоспособного населения^.

Основные направления производства: добыча полезных ископаемых, обрабатывающие производства, производство и распределение электроэнергии, газа и воды. Наиболее развиты в городе пищевая и перерабатывающая промышленность, в том числе выпуск продуктов и табачных изделий, производство транспортных средств и оборудования, нефтепереработка, производство минеральных удобрений, резиновых и пластмассовых изделий, полиграфия и химическое производство^.

В 2017 году наибольший удельный вес в промышленном производстве занимали предприятия, занятые обеспечением электрической энергией, газом и паром, кондиционированием воздуха — 52,8 %. На втором месте были предприятия обрабатывающих производств — 42,4 %; среди них наибольшую долю имели предприятия пищевой промышленности — 34,5 %^.

В экспорте из города преобладают товары пищевой отрасли. Солод, крахмал, инулин, пшеничную клейковину экспортируют в Албанию, Грузию, Молдову, Египет, Йемен, Сенегал и Танзанию. Рис-сырец и кукурузу — в Великобританию. Сушёный горох — в Индию и Пакистан.

Зерно, бобовые, крупы и подсолнечное масло — на Ближний Восток, в страны ЕС и Африки. Жиры, масло животное и промышленное растительное, воски — в США. Также из города экспортируются за рубеж: сельхозтехника, компрессоры и компрессорное оборудование, посуда, тара, промышленные установки для нано- и ультрафильтрации, сепарационное оборудование для газовой отрасли и др.

Транспорт.

Краснодар — крупный транспортный узел юга России. Территорию города пересекают четыре направления железных дорог, две автодороги федерального значения, есть аэропорт и речной грузовой порт. Из аэропорта выполняются полёты во многие города России, стран ближнего и дальнего зарубежья. В Краснодаре работают следующие виды транспорта: воздушный, железнодорожный, речной, автобусный, городской электротранспорт — трамвай и троллейбус.

За транспортными потоками в Краснодаре по состоянию на январь 2012 года следило 117 видеокамер высокого разрешения. Городские власти в 2014 году были намерены увеличить количество камер видеонаблюдения за обстановкой в Краснодаре со 117 до 380 единиц.

Железнодорожный транспорт.

Краснодар — крупный железнодорожный узел. В городе располагается три железнодорожных станции: Краснодар I, Краснодар II и Краснодар-Сортировочный. Компания «Российские железные дороги» изучает возможность запуска аэроэкспрессов с вокзала в аэропорт.

Водный транспорт.

В южной части города действует речной грузовой порт на реке Кубани. Также на Кубани действует речной паром, соединяющий через реку Краснодар с посёлком Новым.

 

Глава 2

Безотказность

Безотказность – свойство сооружений обеспечивать его надежную эксплуатацию и поддержание обеспеченный нормативный уровень аварийной опасности.

Безотказность обеспечивается вероятностными расчетами

Вероятностный расчет заключается в определение вероятности безотказной работы P, т.е. вероятность того, что параметр сопротивления S всегда больше параметра нагрузки N. α –вероятность возникновения паводков

Q_0.1%‎ → α = 0.001%

P= 1 – α = 0.999%

Q_0.01% → α = 0.0001%

P= 1- α = 0.9999 %

Живучесть

Живучесть характеризуется для грунтовой плотины превышеним гребня плотины над отметкой ФПУ.

H_зап=∆Гр-∆ФПУ=224,00-221,54 =2.46 м

Для водосливной плотины живучесть характеризуется способностью пропускать сверхнормативные расходы

Ур. ВБ_крит=КПУ=∆Гр-0,5=224,0-0,5=223,5 м

Вычислим напор на водослив при КПУ

Вычислим расход, который пропустит ГЭС при КПУ.

Q_КПУ=

Определяем коэффициент превышения расхода при КПУ

К_прев= Q_КПУ/ Q_ФПУ= 9731/5575 = 1.74

Отметка Ñ Ф.П.У. достигается при пропуске поверочного расхода Q _повер..

Расход на водосливе при пропуске поверочного расхода:

, где

Q _повер. – поверочный расход;

Q _ГЭС – расход воды через здание ГЭС.

.

Ремонтопригодность

Ремонтнопригодностъ - свойство, заключающееся в приспособленности сооружения к предупреждению, обнаружению и устранению неисправности [13].

Вопросы ремонтнопригодности характеризуют приспособленность гидросооружения к проведению ремонта, реконструкции, восстановлению или ликвидации сооружения после достижения им физического или морального износа.

Ремонтопригодность характеризуется временем восстановления работоспособности. Складывается из времени на поиск нарушений и времени на сам ремонт.

t=t_n+t_p

Элементы сооружения, нуждающиеся в ремонте чаще всего.

Для грунтовой плотины: ремонт крепления верхового откоса, ремонт дренажей

Для водосливной плотины: ремонт затворов.

Контролеспособность

Контролеспособностъю называется свойство гидросооружения обеспечивать достоверную оценку его эксплуатационного состояния и обнаружение неисправностей и дефектов [13].

Решение проблем контролеспособности обеспечивает контроль состояния гидросооружения визуально и с помощью средств измерений, и своевременное выявление потенциально опасных процессов деформирования, фильтрации, трещинообразования, коррозии и т.п. Для этого в проекте предусмотрено размещение на гидросооружении контрольно-измерительной аппаратуры и организация натурных наблюдений за работой гидросооружений в процессе строительства и эксплуатации с перечнем критериев безопасности, сценариев потенциально возможных аварий и определением зон их влияния и др. Смотри главу 4.

Расчёт устойчивости откосов

Этот расчёт производится в предположении, что грунтовый массив обрушения в теле грунтовой плотины ограничивается круглоцилиндрической поверхностью и разделён на отсеки обрушения вертикальными плоскостями, а также в предположении плоской деформации на участке плотины толщиной 1 м. Условием устойчивости откоса является то, что коэффициент надёжности (коэффициент устойчивости), равный отношению суммы моментов реактивных сил к сумме моментов активных сил, будет превосходить рекомендуемую нормами величину, составляющую 1,25 [1]. При этом речь идёт о коэффициенте для наиболее опасной поверхности из множества рассматриваемых, т. е. наименьший коэффициент устойчивости. Таким образом расчёт сводится к подсчёту коэффициента устойчивости.

Исходя из расчетов, проводимых в рамках предыдущего курсового проекта, коэффициент устойчивости откоса составил:

- устойчивость низового откоса грунтовой плотины обеспечена

 

Для водосливной плотины эти качества обеспечиваются устойчивостью к плоскому сдвигу и соблюдение коэффициентов неравномерности напряжений на контакте.

Трещиностойкость

Трещиностойкость для грунтовой плотины обеспечивается требованиями к укладке грунта.

Характеристики грунтов, предназначенных для укладки в тело плотин и дамб, а также грунтов их оснований следует устанавливать по материалам инженерно-геологических и геомеханических исследований

Плотность сложения грунта может назначаться переменной по высоте земляных насыпных, каменно-набросных плотин с учетом: изменчивости состава и свойств грунтового материала в карьере и расположения грунта в теле плотины (как по высоте, так и по элементам профиля); нагрузок от вышележащих слоев грунта; напряженно-деформированного состояния; способа отсыпки и уплотнения грунтового материала и интенсивности возведения.

Трещиностойкость для данного створа данной геометрии не рассматривается.

Деформативность

Для грунтовых плотин обеспечивается отсыпкой грунтовой плотины с учетом строительного подъема.

Расчет осадок тела и основания плотины следует выполнять при выборе конструкции и технологии производства работ, а также для определения требуемого строительного подъема плотины и уточнения объема работ по сооружению плотины.

Для плотин I и II классов расчет осадок и их изменения во времени следует производить на основании результатов экспериментальных исследований сжимаемости грунтов с учетом напряженно-деформированного состояния плотин. Поровое давление, ползучесть грунта, его просадочность и набухание при повышении влажности в период эксплуатации необходимо учитывать в зависимости от их наличия.

Выносливость

Усталостная прочность - это прочность материала при циклическом нагружении. Усталостная прочность измеряется, как и напряжение в [MПa]. Усталостная прочность обычно меньше в два или более раз чем предел прочности. Способность материала воспринимать многократное действие переменных напряжениях называют выносливостью.

Расчетом на выносливость (или расчетом на усталостную прочность) называют проверку прочности элементов конструкции при многократном действии переменных напряжений.

По данным опытов получают так называемую кривую усталости (выносливости). соответствующую симметричным циклам (R = – 1). Аналогично могут быть получены кривые усталости, соответствующие циклам с другими значениями коэффициента асимметрии R.

Разрушение материала при однократном нагружении происходит в тот момент, когда возникающие в нем напряжения равны пределу прочности . Следовательно, кривые усталости при N = 1 имеют ординаты равные .

Кривая выносливости показывает, что с увеличением числа циклов уменьшается максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала.

Наибольшее (предельное) максимальное напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца из данного материала после произвольно большого числа циклов, называют пределом выносливости.

Рисунок 14 – График кривой выносливости

Таким образом, предел выносливости равен ординате асимптоты кривой усталости. Его обозначают при симметричном цикле коэффициент асимметрииR = – 1 и предел выносливости при этом цикле обозначают .

Морозостойкость

Для бетонной водосливной плотины:

Морозостойкость бетона - это сопротивляемость бетона воздействию попеременного замораживания и оттаивания.

ГОСТ устанавливает следующие марки по морозостойкости: F 50, 75, 150, 200, 300, 400, 500. Марка по морозостойкости для речных гидротехнических сооружений устанавливается в зависимости от климатических условий района и числа расчетных циклов попеременного замораживания и оттаивания или перехода через нуль температуры воздуха в течение года

Принятая марка бетона по морозостойкости F150

Для грунтовой плотины:

Прогноз морозного выветривания

Согласно пункту 2.1.5 данного курсового проекта, морозное выветривание грунтов либо отсутствует, либо незначительно.

Коррозионная стойкость

Коррозионная стойкость бетона непосредственно связана с его плотностью, а последняя с водонепроницаемостью.

Река Кубань является крупнейшей рекой Северного Кавказа, поэтому проблемы качества воды этой водной артерии актуальны практически для всего региона. Объем загрязняющих веществ, попадающих в р. Кубань и накапливающихся в донных отложениях, постоянно увеличивается.

Постоянное наличие хлорорганических соединений (ХОС) в водах отмечается на уровне 0,0004–0,001 мг/л. Максимальное содержание достигает 0,04 мг/л, учитывая, что предельно допустимая концентрация (ПДК) хлорорганических соединений для воды рыбохозяйственных водоемов равна нулю. Токсикологическая обстановка водоемов Краснодарского края весьма опасна.

Основываясь на экологической обстановке реки Кубань и её химическом составе, можно предполагать, что будет наблюдаться коррозия I вида, процессы которой связанны с выщелачиванием извести из бетона, вследствие ее большей растворимости в воде по сравнению с другими гидратами. В настоящее время к коррозии I вида относят все процессы, связанные с растворением в воде веществ, входящих в бетон.

Износостойкость

Износостойкость-это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Износостойкость зависит от состава и структуры обрабатываемого материала, исходной твёрдости, шероховатости и технологии обработки детали, состояния ответной детали. Также существуют методы повышения износостойкости деталей благодаря нанесению специального износостойкого покрытия на поверхность детали. При этом износостойкость детали без покрытия может быть намного ниже, чем у детали с износостойким покрытием.

В теоретическом сопромате под износостойкостью понимается свойство материала, в данном случае - бетона, противостоять истирающему воздействию какого-либо вещества или конструкции, находящейся с ним в непосредственном контакте.

Величина показателя истираемости зависит от множества факторов, к числу которых относится способность бетонной конструкции изменять массу и объем в процессе приложения к ней усилий, а также твердость материала, прежде всего наружной его поверхности.

При более общем рассмотрении понятии под износостойкостью понимается свойство материала, определяющее срок службы изготовленных из него строительных конструкций, частей и элементов зданий.

Подобная трактовка подразумевает учет большого количества характеристик бетона, в число которых, помимо истираемости, входят:

· марка по пределу прочности на сжатие;

· класс строительного материала;

· морозостойкость;

· водопроницаемость и т.д.

Кавитационная стойкость

Стойкость кавитационная– свойство материала, контактирующего с потоком жидкости, сопротивляться разрушению при воздействии гидравлических ударов.

Увеличение высоты плотин и роста напоров обусловило повышение скорости движения воды в водопропускных трактах гидротехнических сооружений и опасность разрушения бетона при кавитационном воздействии.

Кавитационная стойкость учитывается при выполнении условия:

Следовательно, кавитационная стойкость элементов данной водосливной плотины не рассматривается.

Глава 3

Сценарии возможных аварий

Глава 4

Глава 5

Критерии безопасности

Глава 6

Выводы

В данной курсовой работе мы рассмотрели вопросы обеспечения эксплуатационной безопасности бетонной гравитационной и грунтовой плотин применительно к условиям города Краснодар, Краснодарский край на реке Кубань. Рассмотрели топографию и геологию створа гидрологические характеристики и техносферное окружение.

Были обоснованы качества надежности гидросооружений и состав расчетов по их обоснованию включающие в себя качества функциональной и качества конструктивной надежности.

Сформулированы в ходе курсовой работы возможные сценарии аварии применительно к грунтовой плотине методами дерева отказов и дерева событий.

Были определены уязвимые зоны бетонной водосливной и грунтовой плотин и на их основе сформулирован состав необходимых инструментальных наблюдений. Приведено описание приборов и схемы их размещения. Уделено внимание визуальному контролю.

Определены возможные эксплуатационные состояния гидросооружений и сформулированы критерии безопасности для средств контроля.

Проанализированы в ходе курсовой работы факторы безопасности гидротехнических сооружений, установлена периодичность контроля состояния гидротехнических сооружений, приведен пример ремонта температурно-осадочных швов водосливной плотины и лечение выходов воды на низовом откосе грунтовой плотины. Также рассматривались вопросы реконструкции гидротехнических сооружений.

В заключении приводится состав декларации гидросооружений в соответствие с [10].

Список литературы

1. СП 58.13330.2012 Гидротехнические сооружения. Основные положения

2. Соболь, С. В. Безопасность гидротехнических объектов [Текст]: учеб. пособие
/С. В. Соболь, А. В. Февралев; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун–т. – Н. Новгород:
ННГАСУ, 2018. – 204 с; прилож. ISBN 978-5-528-00334-4

3. СП 131.13330.2012 Строительная климатология.

4. Кузнецов Д.В.Сценарий аварии грунтовых плотин при переливе воды через гребень плотины методом анализа дерева отказов // Вестник МГСУ.2016. № 4. С. 94—107.

5. Справочник проектировщика гидротехнические сооружения под редакцией В.П. Недриги,1983 г.

6. СТО 70238424.27.140.004-2008 Контрольно-измерительные системы и аппаратура
гидротехнических сооружений ГЭС. Условия создания. Нормы и требования

7. Корсаков С.Г., Семенуха И.Н., Белуженко Е.В. и др. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1: 200 000. Издание второе. Серия Кавказская. Лист L-37-XXVII (Краснодар). Объяснительная записка. – М.: МФ ВСЕГЕИ, 2013. 234 с.

8. «Краснодар.» Wikipedia. Wikipedia Foundation, Inc. 5.12.2019. Web. 23.11.2019. <https://ru.wikipedia.org/wiki/Краснодар>

9. Ляпичев Ю.П.Гидрологическая и техническая безопасность гидросооружений: Учеб.
пособие. – М.: РУДН, 2008. – 222 с.

10. Положение о декларировании безопасности гидротехнических сооружений: утв. Постановлением Правительства РФ от 06.11.1998 г. № 1303 (в ред. от 09.11.2016 г.) // СЗ РФ. – 1998. – №46 – ст. 5698.

11. СП 40.13330.2012 Плотины бетонные и железобетонные.

12. СП 39.13330.2012 Плотины из грунтовых материалов.

13. Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Анискин Н.А., Малаханов В.В., Бестужева А.С., Саинов М.Н., Солдатов П.В., Толстиков В.В. Гидротехнические сооружения (речные). Часть 1. Учебник для вузов. Издание второе, исправленное и дополненное. – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2011. – 584 с.

14. О.К. Воронков, Л.Ф. Ушакова. Влияние физического выветривания на состояние и свойства горных пород. СПб.: Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 2007.

15. СП 41.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений.

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НИУ МГСУ

Институт гидротехнического и энергетического строительства